[发明专利]一种可靠协作通信中的联合中继选择与功率控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信的协作通信（Cooperative communication）技术领域，特别涉及一种可靠协作通信中的联合中继选择与功率控制方法。

背景技术

无线协作通信运用多用户协作的方式将信息从信号源传输至终接端。通过单个天线在多用户中仿真多重天线系统从而产生一个虚拟MIMO系统，协作通信可以增加传输分集的多样性从而能够提高系统的传输性能。

因为单个无线移动设备在大小，消耗，以及硬件约束等方面无法支持多单元传输天线，而协作网络通信出现并作为一种新的思路来仿真这种关于多重天线系统的方案。当多天线系统对于单个用户不可用时，用户协作可以被用来提供发射分集。通过利用无线渠道的广播特性，协作通信允许单一天线系统设备分享他们自己的天线来组成一个分布式虚拟天线阵列。该方案很有可能被整合到3GPP-LTE多跳网络中。当前网络间的协同通信主要应用为蜂窝通信网络与WLAN、卫星通信网络与蜂窝通信网络等，这些网络的应用将极大地促进通信网络的发展。协作通信技术作为一种有广阔前景的技术已经引起了相当大的关注，已经被考虑纳入IEEE802.16j标准和3GPP-LTE多跳蜂窝网络。

在当前节能社会的背景下，无线通信的能耗问题已经受到了大量的关注。尤其在对电池供电的移动设备来说，能耗问题变得尤为重要，因为电池能量直接决定了其使用寿命的长短，因此在考虑其传输稳定性的前提下对能效的研究很有现实必要。协作节点的参与，使得协作通信系统中的每个节点可以以较低的功率达到较高的通信质量。

协作通信中中继的选择问题以及功率的控制问题一直以来都是研究的重点，当系统中存在多个中继可供选择时，中继的选择对于协作通信的性能和能耗的有很大的影响。协作通信的能耗应该包括源节点的传输能耗、中继节点的接收和传输能耗，以及目的节点的接收能耗。因此对于中继的选择以及源节点，中继节点的功率控制成为一个重要问题，选择及控制的好坏直接影响系统的能效高低。

目前关于协作通信中能耗问题的研究均存在问题，首先，缺乏性能和能耗的折中考虑。这两者相互影响：性能不佳会导致重传系统的响应，由此导致能量的多次损耗，这些能量的损耗是无必要的；第二，缺少中继选择和功率控制的联合考虑，假定了中继的发射功率已知且不变时进行研究中继的选择，而这一方法是不合理的也是不切实际的，因为在现实情况下中继的功率是不断变化的；第三，未考虑信道状态信息(CSI)对协作系统的影响，目前的研究方法大致有假定CSI完全已知或统计的CSI的信息已知的情况下进行中继的选择和功率控制。这两种方法都是利用现有的CSI，没有考虑其获取过程。这种方法不适合动态变化的无线环境，尤其是在节点移动时，CSI的变化频繁，而CSI的更新缓慢。

实现可靠通信中高能效系统的关键问题之一就是如何共同考虑系统的性能问题，源节点及中继节点的功率控制问题和中继节点的选择问题。而现有的研究中并未将三者共同考虑，也并未考虑到无线环境中信道状态信息的改变所产生影响，缺乏实际性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种在可靠协作通信中，联合中继的选择以及功率控制以得到高能效系统的方法，该方法能够通过分析得到可靠的协作通信中中继的选择和功率的控制方案。

本发明的研究可靠协作通信中的高能效中继问题，实现绿色协作通信，从分析协作通信系统的性能和能耗这两个相互制约的关系出发，定义并从理论上分析了协作通信的能耗效率。在此基础上，本发明提出一种中继选择和功率分配的联合方案来优化协作通信系统单位能量成功传递的数据，并从实际系统的要求出发，将中继的选择和功率控制方案结合到信道状态信息（CSI）的获取过程中，实现动态的，实时的中继选择和功率控制，运用离散随机近似的方法，从而解决能量效率优化的问题。

显然，有多个中继参与的协作通信，并不意味着更高的系统能效。研究结果表明，更多的协作节点参与可以提高协作通信的性能，但这种性能的提高也是有限的。另一方面我们也要考虑多中继对能耗的减少即便可行也是有限的。所以我们在多个中继中选择最优中继作为接收传播信息的中继节点，中继选择方法主要有主动式选择和反应式选择（或者叫竞争式选择），主动式为在进行传输前选择最优中继，信号源将信号通过该中继传输至终接端，反应式则将信号传输至多个中继，之后再选择最佳中继进行传输。对于工作在解码－转发模式的协作通信系统来说，反应式由信号源传输至多个中继进行解码，显然需要额外的接收能耗。因此，我们在中继选择时选择了主动式选择中继的最优中继协作通信系统。